Studi tentang Karakteristik Aliran Melintasi Silinder Ellips (AR) = 1/3 dan 1/4 Tunggal Teriris pada Sisi Depan Wawan Aries Widodoa), Triyogi Yuwonoa), P. Indiyonob), Wasis Dwi Aryawanc) a) Jurusan Teknik Mesin FTI-ITS, Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 b) Jurusan Teknik Kelautan FTK-ITS, Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 c) Jurusan Teknik Perkapalan FTK-ITS, Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111 Telp. (031) 5946230, Fax : (031) 5922941 E-mail:
[email protected] Diterima 02 Juli 2009; diterima terkoreksi 21 Juli 2009; disetujui 10 Agustus 2009 Abstract Fluid flow transition from laminar to turbulent boundary layer on body surface contour until fluid separation depend on free-stream velocity and flow profile, turbulence free-stream, geometry, and surface roughness of the bodies surface. This study to investigate the characteristics of flow past elliptic cylinder with axis ratio (AR) 1/3 and 1/4 with geometric modification to cut front side of elliptic cylinder with 5%, 10%, and 15% from length of major axis, and keep the length of minor axis constant. Fluid flow characteristics around the modified single elliptic cylinders are investigated experimentally on open-circuit subsonic wind tunnel and compared to run numerical modelling with CFD solver FLUENT 6.2. Reattachment process is caused by deflection of fluid momentum on surface contour of the whole modified elliptic cylinders are indicated with appearing bubble separation. Both of investigation methods to obtain quantitative value and qualitative information about detail information related with momentum of fluid attach on surface contour elliptic cylinders and fluid flow after separated from this body. All investigation are running with Reynolds Number 1.6 x 104 based on minor axis of modified single elliptic cylinder. Keywords: elliptic cylinder, geometric modification, bubble separation Sebuah benda yang dilewati aliran diklasifikasikan sebagai bluff body atau streamlined body didasarkan atas karakteristik aerodinamika di sekeliling benda tersebut. Pada aliran di sekeliling bluff body, separasi massive terjadi tanpa reattachment. Aliran di sekeliling streamlined body mengalami reattachment dimana saja, kecuali pada upstream dari trailing edge. Pada benda yang sama dapat bekerja sebagai streamlined body maupun bluff body tergantung pada orientasi aliran yang melalui benda tersebut. Silinder sirkular adalah salah satu contoh klasik dari bluff body, sedangkan silinder ellips adalah salah satu bentuk dari streamlined body dua dimensi. Geometri keduanya relatif sederhana, namun demikian aliran yang melintasinya akan menjadi kompleks, baik pada saat aliran fluida yang bertransisi dari laminar menjadi turbulen pada kontur permukaan padatnya, hingga terseparasi masif. Momentum fluida yang terseparasi masif
menjadi free shear layer dan membentuk wake atau vortex street. Aliran fluida yang melintasi sebuah benda berbentuk bluff body maupun streamlined body akan menimbulkan interaksi khususnya pada daerah lapis batas. Penelitian yang dilakukan oleh Niemann dan Holscher [1] maupun Zdravkovich [2], menyatakan bahwa aliran fluida akan bertransisi dari aliran laminar menjadi turbulen hingga terjadi fenomena separasi aliran, sangat dipengaruhi antara lain oleh kecepatan pada free-stream serta profil alirannya, free-stream turbulence (intensitas turbulensi), bentuk benda (geometri maupun orientasi terhadap arah alirannya), serta kekasaran pada permukaan benda. Fenomena transisi aliran tersebut dikarakteristikkan salah satunya dengan gaya hambat (drag force). Gaya hambat pada bluff body didominasi oleh pressure drag, sedangkan pada streamlined body, umumnya didominasi oleh skin friction drag. Meskipun
177
178 Jurnal Teknik Mesin, Volume 9, Nomor 3, September 2009 demikian pressure drag memberikan kontribusi juga terhadap adanya gaya hambat yang diakibatkan oleh separasi dekat trailing edge dan wake di belakang benda. Perbedaan pressure drag diantara kedua benda tersebut menyebabkan perbedaan drag yang besar. Karakteristik aliran yang melintasi bluff body maupun streamlined body akan menjadi kompleks dan menarik apabila dilakukan modifikasi geometri yang bertujuan untuk mereduksi gaya-gaya aerodinamik (gaya drag maupun gaya lift). Metode yang digunakan untuk mereduksi gaya-gaya tersebut adalah dengan mengendalikan aliran fluida baik secara aktif maupun pasif, atau yang dikenal dengan active flow control maupun passive flow control yang dapat dijelaskan sebagai berikut: • Metoda pengendalian aktif (active flow control) yaitu memberikan supply energi eksternal pada aliran fluida seperti eksitasi akustik, momentum injection (blowing), dan boundary layer heating, dan lain-lain. • Metoda pengendalian pasif (passive flow control) yaitu dengan melakukan modifikasi geometri bluff body, memberikan kekasaran pada permukaan bluff body, serta menempatkan bluff body kecil sebagai pengganggu aliran. Beberapa penelitian terdahulu yang menjadi referensi untuk mendapatkan informasi yang berkaitan dengan metode tersebut di atas salah satunya adalah dengan memodifikasi geometri silinder sirkular seperti dilakukan oleh Aiba dan Watanabe [3] dan Igarashi dan Shiba [4]. Pemotongan tersebut bertujuan untuk mendapatkan interaksi aliran dari sisi tegak silinder tersebut yang bertemu dengan aliran bebas (free-stream), interaksi aliran tersebut akan meningkatkan intensitas turbulensi aliran, dan selanjutnya momentum fluida tersebut akan reattach pada permukaan lengkung silinder. Kondisi yang demikian itu akan mendorong transisi aliran dari laminar menjadi turbulen lebih cepat dengan ditandai adanya separasi bubble pada permukaan tersebut. Momentum fluida pada aliran turbulen memiliki ketahanan untuk tidak terseparasi massive lebih awal akibat shear stress maupun adverse pressure gradient, atau dengan kata lain separasi massive dapat
tertunda lebih ke belakang ketika momentum fluida melintasi kontur permukaan silinder sirkular utama. Tertundanya separasi massive tersebut menyebabkan daerah wake di downstream silinder sirkular utama lebih sempit dan hal tersebut mengindikasikan bahwa gaya hambat (drag force) yang semakin kecil. Bentuk bluff body sederhana seperti silinder sirkular maupun modifikasi geometri dari bentuk dasar silinder sirkular mewakili bentuk geometri yang memiliki adverse pressure gradient yang kuat (strong APG) ketika dilalui oleh fluida. Silinder ellips adalah bentuk bluff body sederhana lainnya yang memiliki karakteristik adverse pressure gradient yang lemah (mild APG), namun hal ini tergantung orientasi aliran fluida yang melintasi silinder ellips tersebut, apabila orientasi aliran membentuk angle of attack tertentu atau tegak lurus terhadap sumbu mayornya, maka silinder ellips akan memiliki karakteristik adverse pressure gradient yang kuat (strong APG). Penelitian oleh Bao dan Dallman [5], mengkaji lebih detail berbagai aspek fisis terbentuknya separasi bubble yang melalui geometri berbentuk rounded backward-facing step, baik dari kajian eksperimental maupun pemodelan numerik. Penelitian tersebut dapat lebih menjelaskan evolusi fluida yang attach pada kontur permukaan yang bertransisi dari aliran laminar hingga menjadi turbulen, yang diantaranya dipengaruhi adanya separasi bubble. Berikut ini diuraikan beberapa penelitian secara ekperimental dan simulasi numerik tentang silinder ellips. Penelitian secara eksperimental yang dilakukan Schubauer [6], pada silinder ellips dengan axis ratio (AR=1/3) menunjukkan bahwa transisi aliran laminar menjadi turbulen hingga terseparasi masif yang secara kuantitatif ditunjukkan oleh distribusi koefisien tekanan (Cp, sangat dipengaruhi oleh kecepatan free-stream (bilangan Reynolds), dimana semakin besar harga kecepatan aliran maka separasi masif akan semakin tertunda ke belakang. Penelitian oleh Faruqee, et.al [7], dengan melakukan simulasi numerik dengan perangkat lunak CFD solver Fluent pada bilangan Reynolds rendah (Re = 40) dengan variasi axis
Aries Widodo, Studi tentang Karakteristik Aliran Melintasi Silinder
ratio (AR = 0,3 hingga 1). Pemodelan numerik tersebut dilakukan karena kajian eksperimental tidak dapat melakukan pengukuran pada bilangan Reynolds yang sangat rendah. Penelitian tersebut mengambil berbagai hasil kuantitatif seperi distribusi koefisien tekanan (Cp), profil kecepatan pada maximum thickness-nya, serta mengintegrasikan harga Cp untuk mendapatkan koefisien pressure drag, serta skin friction drag, dengan mengintegrasikan distribusi wall shear stress. Beberapa hal yang penting di dalam melakukan pemodelan numerik, terutama yang dikaitkan dengan ketidakpastian pada pemodelan numerik disampaikan oleh Freitas [8]. Ketidakpastian dalam pemodelan numerik untuk aliran turbulen secara umum sangat dipengaruhi oleh turbulence modeling yang digunakan (RANS, URANS, LES, DES), kondisi batas dan kondisi awal (boundary and initial condition), serta bentuk dan kerapatan dari grid atau meshing terutama dekat solid surface. Penelitian yang dilakukan oleh Catalano et.al [9], menyajikan komparasi antara studi numerik dengan eksperimental untuk aliran melintasi silinder sirkular pada bilangan Reynolds tinggi (Red = 1 x 106). Berbagai turbulence modelling seperti Large Eddy Simulation (LES), Reynolds Averaged NavierStokes (RANS), maupun Unsteady-RANS (URANS) dibandingkan dengan berbagai eksperimental terdahulu pada kisaran bilangan Reynolds yang sama. Selanjutnya Catalano dan Amato [10], melakukan evaluasi turbulence modelling RANS untuk aplikasi aerodinamika pada airfoil RAE 2822, RAE M2155 wing, dan sayap pesawat terbang A310, dengan membandingkan enam persamaan transport RANS yaitu Spalart-Allmaras, k-ε (MyongKasagi k-ε dan non-linear k-ε), dan k-ω (Wilcox k-ω, Kok TNT k-ω, dan Menter SST k-ω). Keseluruhan pemodelan turbulence RANS tersebut dibandingkan dengan hasil kajian eksperimental. Menurut Catalano dan Amato [10], pemodelan turbulen RANS Menter Shear Stress Transport (SST) k-ω, untuk kasus aliran transonic dan high-lift, menunjukkan kesesuaian terbaik antara kapabilitas fisis dengan karakteristik perhitungan numerik (akurasi, level
179
konvergensi namun tidak sama dalam jumlah iterasi, serta waktu CPU untuk memprosesnya). Berdasarkan penjelasan di atas, maka penelitian tentang fenomena interaksi aliran akibat perubahan atau modifikasi bentuk geometri benda yang tidak kompleks, seperti silinder ellips dengan berbagai axis ratio (AR), dikaji lebih mendalam dan detail. Selanjutnya untuk mendapatkan kesesuaian fisis fenomena interaksi aliran tersebut dilakukan dengan kajian eksperimental pada open-circuit subsonic wind tunnel maupun simulasi numerik menggunakan perangkat lunak CFD solver Fluent 6.2. METODE Penelitian yang dilakukan adalah untuk mendapatkan karakteristik aliran saat melintasi silinder ellips tunggal yang dimodifikasi geometrinya dengan axis ratio (AR) = 1/3. Modifikasi yang dilakukan adalah dengan memotong sisi depan silinder ellips tersebut prosentase tertentu terhadap panjang sumbu mayornya (B), yaitu a=5%B, a=10%B, dan a=15%B, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 1. Interaksi antara aliran fluida dengan silinder ellips tersebut dikaji secara seksama dengan melakukan kajian eksperimental pada open-circuit subsonic wind tunnel dan simulasi numerik dengan perangkat lunak CFD solver FLUENT 6.2. Keduanya dilakukan untuk mendapatkan informasi tentang detail aliran yang attach pada kontur permukaan silinder ellips serta separasi yang terjadi pada lapisan batasnya.
Gambar 1. Skematik silinder ellips (AR) = 1/3 dan 1/4 yang dimodifikasi geometrinya
180 Jurnal Teknik Mesin, Volume 9, Nomor 3, September 2009
(a)
(b) Gambar 2. Penempatan benda uji dan alat ukur pada open-circuit subsonic wind tunnel
Hasil-hasil berupa data-data kuantitatif maupun kualitatif digunakan untuk saling melengkapi fenomena interaksi aliran tersebut, antara lain data-data kuantitatif yang sudah diolah yaitu distribusi koefisien tekanan (Cp) pada kontur permukaan, profil kecepatan pada maximum thickness, maupun wake pada downstream silinder, serta perhitungan gaya hambat total dari selisih defisit momentum sisi inlet dengan sisi downstream silinder ellips. Data kualitatif berupa visualisasi aliran untuk mendapatkan letak separasi bubble maupun separasi masif dengan metode oil-flow picture, maupun hasil post-processing dengan perangkat lunak CFD solver FLUENT 6.2. Penempatan benda uji maupun alat ukur (experimental set-up) pada open-circuit subsonic wind tunnel ditunjukkan pada Gambar 2. Dimensi silinder ellips dengan AR = 1/3 yaitu sumbu minor (A) = 28,5 mm dan sumbu mayor (B) = 85,5 mm, sedangkan
Gambar 3. (a) Geometry set-up untuk silinder ellips tunggal (AR = 1/3 dan 1/4); (b) bentuk meshing 2dimensi (2-D) quadrilateral-map
diameter silinder ellips (AR = 1/4) memiliki sumbu minor (A) =28,5 dan sumbu mayor (B) = 114 mm, dan kedua benda tersebut memiliki panjang span yang sama 660 mm. Pressure tap ditempatkan pada bagian mid-span kedua benda dengan jumlah 72 tap dan dihubungkan dengan U-tube manometer. Ukuran lorong angin adalah ukuran penampang test section 660 mm x 600 mm dengan panjang 1200 mm. Simulasi numerik dilakukan dengan membuat geometry set-up dua dimensi, dengan kondisi batas pada sisi inlet adalah velocity inlet uniform dan sisi outlet adalah outflow, sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 3(a), sedangkan pada Gambar 3(b) ditunjukkan bentuk meshing dua dimensi (2-D) quadrilateral-map. Simulasi akan dilaksanakan dengan pendekatan 2D-steady flow dengan pemodelan turbulence Menter SST (shear stress transport) k-ω. Seluruh kajian baik ekperimental maupun pemodelan numerik
Aries Widodo, Studi tentang Karakteristik Aliran Melintasi Silinder
181
dilakukan pada bilangan Reynolds (ReA) 1,6 x 104 (didasarkan pada panjang sumbu minor (A)). HASIL DAN PEMBAHASAN Karakteristik aliran melintasi silinder ellips tunggal dengan melakukan modifikasi pemotongan sisi depan dengan pemotongan 5%, 10%, dan 15% terhadap panjang sumbu mayor (B), dikaji secara detail dengan metode eksperimental maupun pemodelan numerik dengan perangkat lunak CFD solver FLUENT 6.2, dijelaskan dengan menampilkan hasil-hasil kuantitatif seperti distribusi tekanan (Cp) pada kontur permukaan silinder ellips, profil kecepatan pada posisi maximum thickness, profil kecepatan pada daerah wake, serta hasil visualisasi aliran dengan oil flow picture method (eksperimental), maupun hasil post processing dari CFD solver Fluent 6.2. Distribusi Tekanan (Cp) Silinder Ellips (AR=1/3) dan (AR=1/4) Tunggal Dengan Modifikasi Pada bagian ini ditampilkan distribusi koefisien tekanan (Cp) yang merupakan harga mean value atau time-averaged value baik dari hasil kajian ekperimental maupun hasil pemodelan numerik dengan pemodelan turbulence 2D-steady flow Menter SST (shearstress transport) k-ω. Silinder ellips tunggal dengan axis ratio (AR = 1/3) yang ditunjukkan pada Gambar 4, ditampilkan dengan membandingkan distribusi koefisien tekanan (Cp) silinder ellips (AR = 1/3) tunggal, baik dengan dan maupun tanpa modifikasi geometri (pemotongan sisi depan dengan prosentase berturut-turut 5%, 10%, dan 15% terhadap sumbu mayor-nya (B)). Karakteristik aliran yang menunjukkan adanya interaksi antara fluida dengan benda padat salah satunya ditunjukkan dengan menampilkan distribusi koefisien tekanan (Cp). Distribusi koefisien tekanan (Cp) merupakan perbandingan dari perbedaan tekanan antara tekanan freestream dengan tekanan sepanjang kontur benda padat dengan tekanan dinamis dari freestream, atau dapat dirumuskan pada persamaan (1): C p = ( pc − p∞ )
1
2 2 ρU ∞
(1)
(a)
(b)
(c) Gambar 4. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Ellips (AR=1/3) Tunggal (hasil eksperimental dan numerik). a). Silinder Ellips Dengan Pemotongan (a = 5%B), b). Silinder Ellips Dengan Pemotongan (a = 10%B), c). Silinder Ellips Dengan Pemotongan (a = 15%B)
dimana pc adalah tekanan pada kontur silinder sirkular, p∞ adalah tekanan statis pada freestream, dan ½ ρU2∞ adalah tekanan dinamik pada free-stream. Berdasarkan Gambar 4 (a), (b), dan (c), terlihat evolusi perubahan tekanan sepanjang kontur pemukaan silinder ellips, dari daerah stagnasi, posisi akselerasi maksimum, hingga momentum fluida mengalami separasi masif.
182 Jurnal Teknik Mesin, Volume 9, Nomor 3, September 2009 Hasil eksperimental maupun simulasi numerik dengan pemodelan turbulen viscous Menter-SST k-ω, menunjukkan hasil yang cenderung konsisten dalam trend meskipun sedikit berbeda dalam harga kuantitatifnya, terutama ditunjukkan pada silinder ellips (AR = 1/3) dengan pemotongan 10%B dan 15%B. Silinder ellips (AR = 1/4) untuk semua pemotongan (5%B, 10%B, dan 15%B) menunjukkan adanya kesesuaian dalam hasil maupun konsisten dalam trend, hal tersebut dapat dilihat pada Gambar 5 (a), (b), dan (c). Kesesuaian fisis antara hasil pengukuran (eksperimental) dengan simulasi numerik pada silinder ellips (AR = 1/3) dan (AR = 1/4) pada semua pemotongan sisi depan, menunjukkan bahwa modifikasi geometri tersebut mampu mempercepat transisi aliran pada kontur permukaan silinder ellips tersebut dari laminar menjadi semakin turbulen. Fenomena tersebut sebagaimana ditunjukkan pada penelitian Aiba dan Watanabe [3] serta Igarashi dan Shiba [4], dengan melakukan modifikasi geometri silinder sirkular dengan melakukan pemotongan sisi depan dengan sudut pemotongan tertentu (silinder tipe-D). Sementara itu pada Gambar 4(a), pada pemotongan 5%B terdapat perbedaan harga Cp antara terutama pada daerah separasi massif (1300 < θ < 1800), meskipun pada daerah sisi tegak, akselerasi maksimum, serta base pressure-nya menunjukkan trend yang konsisten. Hasil eksperimen memperlihatkan bahwa pada modifikasi geometri silinder ellips dengan pemotongan sebesar 5%B menghasilkan interaksi aliran dari sisi tegak yang terdefleksi dan bertemu dengan freestream flow dan selanjutnya attach pada kontur permukaan lengkung silinder ellips, namun efek di dalam mempercepat transisi aliran laminar menjadi turbulen tidak sekuat pada pemotongan 10%B dan 15%B. Silinder ellips (AR = 14) adalah bentuk bluff body yang memiliki adverse pressure gradient lemah (mild APG) apabila arah aliran tegak lurus terhadap sumbu minor silinder tersebut. Karakterstik bluff body dengan adverse pressure gradient lemah memungkinkan terjadinya fenomena reattachment pada kontur permukaan lengkung yang panjang, terutama pada silinder ellips yang dimodifikasi dengan pemotongan sisi
(a)
(b)
(c) Gambar 5. Distribusi Koefisien Tekanan (Cp) Silinder Ellips (AR = 1/4) Tunggal (hasil eksperimental dan numerik) a). Silinder Ellips dengan Pemotongan (a = 5%B), b). Silinder Ellips dengan Pemotongan (a = 10%B), c). Silinder Ellips dengan Pemotongan (a = 15%B)
depan tersebut. Momentum fluida yang terdefleksi pada sisi tegak akan berinteraksi dengan momentum fluida pada arah freestream, hal ini menyebabkan aliran fluida attach pada kontur permukaan lengkung
Aries Widodo, Studi tentang Karakteristik Aliran Melintasi Silinder
tersebut, dan selanjutnya terjadi transisi dari aliran laminar, terbentuk separasi bubble, hingga menjadi aliran turbulen hingga pada akhinya terseparasi masif karena tidak mampu melawan shear stress dan adverse pressure gradient. Kondisi tersebut agak berbeda dengan silinder ellips (AR = 1/3), yang cenderung memiliki adverse pressure gradient yang lebih kuat, jika dibandingkan dengan silinder ellips (AR=1/4). Fenomena interaksi aliran yang berbeda pada kedua bentuk ellips tersebut, setidaknya dapat menjelaskan adanya perbedaan pengaruh pemotongan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4 (a). Berdasarkan hasil kuantitatif dari distribusi koefisien tekanan (Cp) pada Gambar 4 dan Gambar 5, terdapat perbedaan harga antara hasil eksperimen dengan simulasi numerik. Hal tersebut dimungkinkan pada kajian eksperimental, tingkat akurasi alat ukur dan penempatan pressure tap yang tidak dapat dibuat lebih rapat jarak antar tap-nya pada kontur permukaan benda uji, menghasilkan ketidakpastian pengukuran (uncertainty), yang dapat memberikan kontribusi pada ketidakakuratan hasil pengukuran yang dilakukan. Ketidakpastian yang terjadi pada simulasi numerik terjadi karena dipengaruhi beberapa hal, seperti initial dan boundary condition (kondisi awal dan kondisi batas) dari geometry set-up yang dibuat, turbulence modelling (RANS) yang digunakan, serta properti aliran fluida yang tidak persis sama dengan kondisi pengujian seperti kecepatan uniform pada sisi inlet, harga intensitas turbulensi maupun turbulence length scale yang di-input-kan pada sisi inlet-nya, serta kerapatan meshing terutama dekat solid surface.
183
(a)
(b) Profil Kecepatan pada Silinder Ellips Tunggal (AR = 1/3) dan (AR = 1/4) yang Dimodifikasi pada Maximum Thickness dan Daerah Wake Pada bagian ini ditampilkan profil kecepatan pada maksimum thickness maupun pada daerah wake silinder ellips tunggal (AR = 1/3) dan (AR = 1/4), sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6. Kedua Gambar tersebut akan saling memperkuat informasi tentang transisi aliran yang lebih cepat pada kontur
Gambar 6. Profil kecepatan u/U = f (y/δ) pada daerah maksimum thickness silinder ellips tunggal dengan dan tanpa pemotongan: a). Silinder Ellips (AR = 1/3); b). Silinder Ellips (AR = 1/4) (hasil simulasi numerik)
permukaan silinder ellips dari laminar menjadi turbulen akibat modifikasi geometri silinder ellips dengan pemotongan sisi depan sebesar 5%B, 10%B, dan 15%B. Simulasi numerik dengan CFD solver FLUENT 6.2 dapat memberikan data
184 Jurnal Teknik Mesin, Volume 9, Nomor 3, September 2009 kuantitatif berupa profil kecepatan pada posisi maximum thickness, dan selanjutnya diplot dalam grafik, dimana pada sisi absis adalah perbandingan kecepatan aliran pada posisi hingga harga kecepatan (u) sama dengan kecepatan free-stream-nya, sedangkan pada sisi ordinat adalah letak dari disturbance thickness dimana komponen kecepatan (u) mencapai harga kecepatan free-stream-nya (U). Pemotongan sisi depan pada silinder ellips (AR = 1/3) maupun (AR = 1/4) sebesar 10%B, memberikan harga pada kontur permukaan silinder pada posisi maximum thickness cenderung lebih flat. Hal tersebut mengindikasikan bahwa pada posisi itu aliran lebih turbulen apabila dibandingkan pemotongan 5%B dan 15%B. Namun demikian informasi tersebut menjadi salah satu hal yang dipertimbangkan untuk melihat sejauh mana perubahan transisi aliran dari lapis batas laminar hingga menjadi lapis batas turbulen. Profil kecepatan pada Gambar 7 (a), adalah hasil pengukuran yang diperoleh dengan mengukur distribusi kecepatan pada daerah wake ketiga silinder ellips (AR = 1/3) pada jarak 3B diukur dari pusat silinder ellips. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pemotongan 10%B memiliki defisit momentum yang paling kecil atau memiliki luasan wake yang sempit, jika dibandingkan dengan pemotongan 5%B dan 15%B. Fenomena yang berbeda ditunjukkan pada profil kecepatan di daerah wake silinder ellips (AR = 1/4), defisit momentum terkecil ditunjukkan pada pemotongan 15%B. Wake yang sempit atau defisit momentum yang kecil menunjukkan bahwa separasi masif lebih tertunda ke belakang, dan secara fisis menunjukkan bahwa momentum aliran yang attach pada kontur permukaan silinder ellips (AR = 1/3) pada pemotongan 10%B dan (AR = 1/4) pada pemotongan 15%B lebih turbulen jika dibandingkan kedua modifikasi lainnya. Visualisasi Aliran pada Kontur Permukaan Silinder Ellips (AR = 1/3) dan (AR = 1/4) Tunggal Pada bagian ini, dibandingkan hasil visualisasi aliran dengan metode oil-flow picture dengan hasil post-processing simulasi
(a)
(b) Gambar 7. Profil kecepatan di daerah wake silinder ellips tunggal AR = 1/3 dan 1/4 dengan dan tanpa pemotongan sisi depan (hasil eksperimental)
numerik dengan CFD solver Fluent 6.2. Kedua hal tersebut dilakukan untuk melengkapi informasi mengenai kesesuaian fisis antara kajian eksperimental dengan simulasi numerik dengan pemodelan turbulen 2D-steady flow Menter-SST k-ω. Transisi aliran pada kontur permukaan kedua bentuk silinder ellips, antara lain ditandai dengan letak separasi bubble maupun letak separasi masif pada kontur permukaan silinder ellips (AR = 1/3) dan (AR
Aries Widodo, Studi tentang Karakteristik Aliran Melintasi Silinder
185
= 1/4) dengan berbagai modifikasi pemotongan pada sisi depan (a = 5%B, 10%B, dan 15%B).
Hasil visualisasi dari metode oil flow picture maupun hasil post-processing simulasi
(a)
(a)
(b)
(b)
(c)
(c)
Gambar 8. Visualisasi aliran silinder ellips (AR = 1/3) tunggal dengan oil flow picture methods (eksperimental) dan hasil simulasi numerik. a). Pemotongan (a = 5%B), b). Pemotongan (a = 10%B), c). Pemotongan (a = 15%B)
Gambar 9. Visualisasi aliran silinder ellips (AR = 1/4) tunggal dengan oil flow picture methods (eksperimental) dan hasil simulasi numerik. a). Pemotongan (a = 5%B), b). Pemotongan (a = 10%B), c). Pemotongan (a = 15%B)
186 Jurnal Teknik Mesin, Volume 9, Nomor 3, September 2009 numerik menunjukkan adanya kesesuaian fisis sebagaimana ditampilkan pada Gambar 8 dan Gambar 9, terutama detail dari letak separasi bubble pada silinder ellips dengan pemotongan 5%B, 10%B, dan 15%B, fenomena tersebut merupakan interaksi aliran yang terdefleksi pada sisi tegak mendapatkan injeksi energi pada sisi free-stream, yang selanjutnya mampu membuat momentum fluida attach pada kontur permukaan lengkungnya atau dikenal dengan fenomena reattachment hingga akhirnya fluida terseparasi dari kontur permukaannya. Namun demikian letak separasi masif dari hasil simulasi numerik tersebut secara keseluruhan agak sulit dibedakan satu dengan yang lainnya, hal tersebut salah satu keterbatasan dari pemodelan turbulen 2D-steady flow Menter SST k-ω, yang digunakan pada penelitian ini. Gaya Hambat Total (Total Drag) Informasi lainnya tentang interaksi aliran antara fluida dengan silinder ellips (AR = 1/3) dan silinder ellips (AR = 1/4) yang dilakukan modifikasi geometri pemotongan sisi depan sebesar 5%, 10%, dan 15% dari panjang sumbu mayornya adalah gaya hambat total (total drag) yang dihasilkan dari hasil pengukuran (eksperimental), yang selanjutnya dengan mengintegrasikan selisih defisit momentum sisi inlet dengan sisi downstream kedua silinder tersebut pada jarak tertentu, yang dapat digrafikkan pada Gambar 10.
Gaya hambat total (total drag) silinder ellips (AR = 1/3) dengan pemotongan 10%B, maupun silinder ellips (AR = 1/4) dengan pemotongan 15%B, yang dinyatakan dalam bentuk koefisien drag total masing-masing menyumbungkan harga CDT sebesar 0,240 dan 0,143. Hal tersebut menunjukkan modifikasi geometri dengan pemotongan sisi depan pada sebuah bentuk silinder ellips haruslah memperhatikan fenomena fisis di sekeliling benda tersebut, terutama pada benda yang memiliki karakteristik adverse pressure gradient yang kuat. KESIMPULAN Berdasarkan uraian yang disampaikan pada hasil dan pembahasan di atas, maka dapat disimpulkan beberapa hal sebagai berikut: 1. Hasil-hasil kuantitatif (grafik Cp maupun profil kecepatan) maupun kualitatif (visualisasi aliran) memperlihatkan adanya kesesuaian fisis antara hasil eksperimental maupun simulasi numerik yang menunjukkan terjadinya interaksi aliran fluida dengan silinder ellips (AR=1/3) dan silinder ellips (AR=1/4) yang dilakukan modifikasi dengan pemotongan sisi depan sebesar 5%B, 10%B, dan 15%B. 2. Modifikasi geometri pada silinder ellips (AR = 1/3) dengan pemotongan sisi depan sebesar 10%B, dan silinder ellips (AR = 1/4) dengan pemotongan sisi depan sebesar 15%B, memberikan pengaruh yang paling signifikan dalam mempercepat transisi aliran dari laminar menjadi turbulen, dan memberikan gaya hambat total (total) drag yang paling kecil jika dibandingkan dengan bentuk silinder ellips lainnya. DAFTAR PUSTAKA
Gambar 10. Koefisien drag total silinder ellips (AR = 1/3) dan silinder ellips (AR = 1/4) (hasil eksperimental)
[1] Niemann, H.J. & Holscher, N., 1990, “A Review of recent experiments on the flow past circular cylinders”, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, Vol. 33, 197-209. [2] Zdravkovich, M.M., 1990, “Conceptual review of laminar and turbulent flow past smooth and rough circular cylinders”,
Aries Widodo, Studi tentang Karakteristik Aliran Melintasi Silinder
Journal of Wind Engineering and [3] Aiba, S. & Watanabe, H., 1997, “Flow characteristics of a bluff body cut from a circular cylinder”, Journal of Fluids Engineering, Vol. 119, 453-457. [4] Igarashi T. & Shiba Y., 2006, “Drag reduction for D-shape and I-shape cylinders (aerodynamics mechanism of reduction drag)”, JSME International Journal, Series B, Vol. 49, No. 4. [5] Bao, F., Dallmann & Uwe Ch., 2004, “Some physical aspects of separation bubble on a rounded backward-facing step”, Aerospace Science and Technology, Vol. 8, 83–91. [6] Schubauer, G. B., 1939, “Air Flow in the Boundary Layer of an Elliptic Cylinder”, NACA Report, No. 652.
187
Industrial Aerodynamics, Vol. 33, 53-62. [7] Faruqee, Z., Ting, D S-K., Fartaj, A., Barron, R.M., & Carrivea, R., 2007, “The effects of axis ratio on laminar fluid flow around an elliptical cylinder”, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 28, 1178-1189. [8] Freitas, J.C, 1999, “The Issue of Numerical Uncertainty”, 2nd International Conference on CFD in the Minerals and Process Industry, Melbourne, Australia, 6-8 December. [9] Catalano, P., Wang, M., Iaccarino, G., & Moin, P., 2003, “Numerical simulation of the flow around a circular cylinder at high Reynolds numbers”, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 24, 463–469. [10] Catalano, P. & Amato, M, 2003, “An evaluation of RANS turbulence modeling for aerodynamic applications”, Aerospace Science and Technology, Vol. 7, 493– 509.
